Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Но физики и здесь нашли выход из трудного положения. Было замечено, что если летящая частица сталкивается не с покоящейся, а с летящей ей навстречу такой же частицей, имеющей такую же скорость, то суммарное количество движения этой системы из двух частиц равно нулю. Значит, после столкновения и первичные, и вновь родившиеся частицы вовсе не обязаны разлетаться с большими скоростями, и, стало быть, вся энергия сталкивающихся частиц (а не ее часть) может пойти на образование новых частиц. В рассмотренном выше примере для образования протон-антипротонной пары нужны два летящих навстречу друг другу протона, причем энергия каждого из них может быть равна всего 1 ГэВ. Для практической реализации
* У многих элементарных частиц есть "двойники" - частицы такой же массы, но противоположного по знаку электрического заряда. Такие двойники называют античастицами. Так, позитрон является античастицей по отношению к электрону, fjt - по отношению к [Г и т. д. Оказалось, что есть античастицы и у некоторых нейтральных частиц, в том числе у нейтрино V (антинейтрино V) и нейтрона п (антинейтрон w). В дальнейшем выяснилось, что нейтрино имеют три разновидности: электронное нейтрино v€, мюоннос нейтрино тау-лептонное нейтрино V7 и соответственно их античастицы Vf», Vay VT. Подробнее о частицах и античастицах см. в книге Э. И. Дубового "Таинственный мир элементарных частиц" (M.: Атомиздат, 1979).
116
этого способа необходимо создать два встречных пучка ускоренных частиц. И такие пучки были созданы. Главная трудность здесь связана с очень маленькой вероятностью встречи двух летящих навстречу друг другу частиц: ведь и без расчетов ясно, что плотность частиц в пучке ускорителя гораздо меньше плотности ядер в твердой или даже газообразной мишени. Действительно, случаи столкновения частиц во встречных пучках наблюдаются относительно редко, зато они дают информацию о событиях, для наблюдения которых обычными методами понадобились бы ускорители на значительно более высокие энергии.
На практике встречные пучки получают обычно следующим образом. Ускоренные частицы запускаются в расположенную рядом с ускорителем специальную систему, тоже представляющую собой гигантскую баранку, но в ней частицы уже не ускоряются, а только сохраняются, непрерывно совершая оборот за оборотом (правда, и здесь приходится компенсировать потери энергии частиц на излучение и на столкновения с атомами оставшихся газов - ведь вакуум в камере никогда не может быть идеальным, - но эта "подкачка" энергии относительно невелика). В такую баранку можно запускать много порций частиц одну за другой, накапливая таким образом частицы на круговой орбите. Такие установки принято называть накопительными кольцами. Когда кольцо полностью заполнено, частицы от ускорителя начинают накапливать во втором таком же кольце, а затем "одним махом" все накопленные в обоих кольцах частицы бросают навстречу друг другу. В накопительных кольцах можно накапливать и античастицы, например антипротоны или позитроны, а потом также использовать их в исследованиях методом встречных пучков. Такие комбинированные установки, состоящие из накопительных колец и систем, обеспечивающих столкновение частиц во встречных пучках, называюj коллайдерами (от английского слова collide — сталкиваться). Сравнительно недавно на коллайдере при протонном синхротроне в ЦЕРНе был осуществлен режим столкновений протон-антипротонных пучков, при котором энергия, выделившаяся в момент столкновения частиц, составила 540 ГэВ. Для того чтобы такая же энергия выделилась при столкновении летящего протона с покоящимся, потребовался бы ускоритель на энергию 154000 ГэВ! И в первых же экспериментах при этих энергиях, выполненных в 1983 году, были сделаны фундаментальные открытия: обнаружены так называемые промежуточные векторные бозоны Z" и Недавно предсказанные теоретиками на основе объединенной теории элек-
117
тромагнитного и слабого взаимодействий. При этом даже подтвердились предсказанные массы этих частиц:
W± Z0
Масса, предсказанная теоретиками, ГэВ 80 90 Экспериментально измеренная масса,
ГэВ....................... 81 ±5 92
Это очень необычные частицы. Несмотря на то что они почти в 100 раз тяжелее протона (напомним, что масса протона в энергетических единицах равна 0,938 ГэВ), распадаются они на самые легкие частицы — электроны и нейтрино:
Для обнаружения промежуточных бозонов потребовалось создать гигантскую установку, главной частью которой был магнит массой 2000 т, создающий в объеме 7x3,5x3,5 м однородное магнитное поле индукцией 0,7 Тл. Вероятность образования Wбозонов при столкновении протонов с антипротонами очень мала, поэтому для того чтобы обнаружить всего несколько бозонов, пришлось зарегистрировать около 109 протон-антипротонных столкновений. Принципиальная важность обнаружения векторных бозонов состоит в том, что оно подтверждает объединенную теорию электрослабых взаимодействий и укрепляет надежду физиков на то, что со временем удастся создать единую теорию всех существующих в природе взаимодействий.
